V150 Construction d un d record Alain JEUNESSE, Éliane ALLAIN, Bernard ROURE SNCF VAL-JOLY le 30/09/2009 1 «Équipe V150 du CIM» CIM: Centre d Ing Ingénierie nierie du Matériel, SNCF (Le Mans) Éliane Allain: Aérodynamique Bernard Roure: Mécanique et structures Spécialiste de la sécurité passive Alain Jeunesse: Responsable pour le CIM de «l Opération 150» Actuellement : responsable technique de la réalisation d une Locomotive Hybride respectueuse de l environnement et de l énergie: «PLATHEE» Frédéric Desgaches: Bogies Dynamique et Stabilité Sylvain Le Bourvellec: Roulement et transmissions Gérard Auditeau: pantographe et captage Patrick Henry: performances Etienne Feger: Caisse et structure Olivier Peretti: performances de freinage VAL-JOLY le 30/09/2009 2
Construction d un d record une opportunité pour Alstom, RFF et la SNCF Les études préliminaires Choix de la zone d essai Performances dynamiques du matériel Études aérodynamiques et captage Les modifications apportées aux structures La réalisation: Composition de la rame expérimentale Chaîne de traction Caisse et structures Bogies Les marches à très grande vitesse. - Quelques résultas Bilan. VAL-JOLY le 30/09/2009 3 Les objectifs techniques: Pour convaincre: atteindre au moins 150m/s Côté infra: Tendre la caténaire : vitesse critique > 600km/h Corriger les devers Fournir une tension à la caténaire d au moins 30kV Côté rame: Améliorer le termes C : rame courte + «modifs aéros» Disposer d une puissance à la jante d au moins 18MW Disposer d un pantographe léger non agressif Renforcer la structure avant. Objectif fondamental: assurer la sécurité du train : comportement dynamique et stabilité VAL-JOLY le 30/09/2009 4
Les études préliminaires VAL-JOLY le 30/09/2009 5 La LGV EE une opportunité LGV Est Européenne : mise en service le 10 juin 2007 300km de ligne nouvelle VAL-JOLY le 30/09/2009 6
Choix de la zone d essais V150 - domaine d'essais - profil en long 360 340 320 Trois Domaines 300 280 260 240 220 200 180 Passavent en Argonne Zone à V maximale pk194 à 191 Gare Meuse Vallée de la Meuse Zone de départ 160 30kV 140 120 Courbes 25 25 16 16 100 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 16 12 25 16 12 10 10 8 8 8 VAL-JOLY le 30/09/2009 7 Études préliminaires: définition de l alimentation l électrique pour un record: schéma de principe simplifié SSP 181 Le Chemin Pk191 capacité de compensation RTE 240kV Sst Trois Domaines Pk112 30kV Gare Meuse Pk 214 SSP Pk 245 effacée Vigneules Pk254 capacité de compensation et SNOP Provisoire RTE 240kV Le Rêle Pk270 25kV 25kV 30kV 25kV Zone à Vmax Pk194 à 191 VAL-JOLY le 30/09/2009 8
Études préliminaires: profil de vitesse et tension (mécanique ) de la caténaire Tension mécanique des portées de caténaire Profil des la vitesse limite autorisé V Critique =k T/m Vitesse calculée du train VAL-JOLY le 30/09/2009 9 Constitution de la rame «V150» Choix: Motrices: TGV POS en cours de livraison adaptations SNCF Tronçon: 2 remorques TGV Duplex en cours de livraison + construction d une remorque R4 avec substitution des équipements auxiliaires par la motorisation AGV - adaptations Alstom VAL-JOLY le 30/09/2009 10
Configuration de la rame d essai d Sens de marche M2 R8 Remorque labo R4 Remorque motorisée R1 Remorque VIP Pantographe actif Instrumenté M1 Essieux Instrumentés Bogies AGV PRINCIPALES CARACTERISTIQUES : 2 motrices TGV POS extraites de la rame de série n 2; tronçon duplex composé de 3 remorques; roues 1090mm à la place de 920mm; 8 essieux moteurs POS fournissant 1800 kw à la jante chacun; 4 essieux moteurs AGV fournissant 800 kw à la jante chacun; Puissance totale de 17,6 MW aux jantes avant réglage; Environ 600 points de mesure, dont 150 pour la sécurité des circulations; Modifications aérodynamiques sur les motrices, les intercirculations et les bogies; Longueur = 107 m; Masse = 270 t. VAL-JOLY le 30/09/2009 11 Specific fairings in underfloor Standard TGV Duplex in wind tunnel with moving belt Modified front glass Closed pantograph cavity VAL-JOLY le 30/09/2009 12
Études préliminaires: Aérodynamique: gains estimés* s* * Résultats confidentiels VAL-JOLY le 30/09/2009 13 Adaptations aérodynamiques a Vitrage affleurant Motrice de tête fermeture cavité panto Césure remorque Diminution garde au rail Fermeture sous caisse Optimisation cavité pantographes Motrice de queue Fermeture sous caisse Diminution garde au rail VAL-JOLY le 30/09/2009 14
Études préliminaires: Adaptations aérodynamiques a Étrave renforcée et abaissée Fermeture de la cavité pantographe Baie frontale pour assurer une continuité de forme Motrice de tête M2 Diminution de la hauteur sous caisse par adjonction d un carénage spécifique Fermeture partie arrière de la caisse en aval du bogie VAL-JOLY le 30/09/2009 15 Captage: études des contraintes sur le pantographe Vitesse de l écoulement autour du pantographe à 160m/s 200m/s 0 m/s VAL-JOLY le 30/09/2009 16
Gains aérodynamiquesa Études préliminaires Zones de dépression sur la motrice VAL-JOLY le 30/09/2009 17 Études des structures avant: Pression sur la motrice de tête à 160m/s Angle 0 compression dépression Angle 5 VAL-JOLY le 30/09/2009 18
Études préliminaires: Pressions aérodynamiques a calcul des structures sur la forme avant, définition des renforts Forme avant Pression aérodynamique Calcul des déformations VAL-JOLY le 30/09/2009 19 Renforcement de la structure de caisse Renforcement des fixations de la PCP: forme avant Renforcement de l étrave VAL-JOLY le 30/09/2009 20
Remorque R4 AGV : études des structures VAL-JOLY le 30/09/2009 21 Renforcement de l é l étrave VAL-JOLY le 30/09/2009 22
Améliorations du nez de la motrice de tête «M2». Trappe d attelage mono bloc, baie frontale et étrave renforcée VAL-JOLY le 30/09/2009 23 La réalisation r VAL-JOLY le 30/09/2009 24
La chaîne de traction: principe Capter l énergie électrique à la caténaire Grille Collecteur La transformer et contrôler le courant et la tension Emetteur Pour créer l effort de traction (ou de freinage) et alimenter les moteurs. VAL-JOLY le 30/09/2009 25 La motorisation moderne : Le moteur asynchrone associé à son onduleur, Utilisation d un interrupteur de puissance moderne: le module IGBT: 1200A 3300V Performance: un essieu moteur : 1160kW à la jante C ol lecteur Coll ecteur Grille Emett eu r Emetteur Grille Moteur Module IGBT Onduleur à IGBT Moteur asynchrone (Ou moteur Synchrone à aimant permanent) VAL-JOLY le 30/09/2009 26
La chaîne de traction: «IGBT inside» Co llecteur Grille Emetteur VAL-JOLY le 30/09/2009 27 Architecture traction de la rame V 150 Deux motorisations réunies pour le meilleur R8 Labo SNCF R4 R1 Espace VIP Salon Labo Alstom TGV-POS Motrice 2 R8 Duplex Transformateur TGV-POS Bloc Moteur POS Salon R4 Duplex ASM Bloc Moteur POS R1 Duplex ASM TGV-POS Motrice 1 ASM Transformateur AGV ASM ASM M1 ASM Bloc moteur AGV PM SM PM SM Bloc moteur AGV PM SM PM SM ASM ASM Bloc Moteur POS Transformateur TGV-POS M2 Bloc Moteur POS "530V"DC auxilia ires confo rt Bloc «720V"DC auxiliaires traction auxilia ire CVS Z2 3 AC 380V-50Hz 1500V Bloc auxilia ire 380V-50Hz trip hasé VAL-JOLY le 30/09/2009 28
disposition des équipements de traction Motrice 2 Bloc moteur 1 Bloc moteur 2 TFP Bloc commun Compresseur Remorque 4 Coffre self 2 Coffre commun Coffre self 1 Coffre Traction 2 TFP Coffre Traction 1 VAL-JOLY le 30/09/2009 29 Le moteur synchrone à aimants permanents Moteur type 12 LCS 3550 B 12 moteurs par rame AGV (AGV 11) 1 onduleur par moteur moteur synchrone à aimants, 12 pôles autoventilé montage en bogie transversal, fixation sur traverse, accouplement à dentures masse 775 kg+/- 1% encombrement 680 mm x 690 mm x 735 mm (H x l x L) Puissance continue 730 kw de 3000 à 4570 tr/min Vitesse maximale 4570 tr/min VAL-JOLY le 30/09/2009 30
Les bogies de la rame V150 VAL-JOLY le 30/09/2009 31 Les chaînes cinématiques TGV-POS AGV Moto- réducteur fixé sous caisse Pont-moteur sur essieu Moteur fixé au bogie Réducteur- pont sur essieu Transmission tripode Accouplement à dentures VAL-JOLY le 30/09/2009 32
Vitesses de rotation des organes de transmission (tr/mn) TGV AGV Série POS (Roues usées) VAL-JOLY le 30/09/2009 33 Marches à très s grande vitesse: quelques résultats r 159,66m/s VAL-JOLY le 30/09/2009 34
600 Les phases de l Op l Opération V150 flasque V150. Evolution vitesse max 559,4km/h 568km/h marche record 3 avril 2007 574,8 500 flasque flasque 400 limitation cause autocollant qui se décolle limitation cause vent 300 casses PALIX2 sur essieu 3 des 2 motrices limitation cause présence neige sur la voie limitation cause présence brouillard 200 100 mise au point et réglages montée en vitesse Analyse résultats montée en vitesse record marches VIP casse TFP M2 en statique avant départ 0 15-janv 22-janv 29-janv 5-févr 12-févr 19-févr 26-févr 5-mars 12-mars 19-mars 26-mars 2-avr 9-avr 16-avr VAL-JOLY le 30/09/2009 35 La marche «record» VAL-JOLY le 30/09/2009 36
600 550 V150: les Profils ligne et vitesse Réalisé: 574,8km/h Rampe de 35 380 360 500 450 Trois Domaines 340 320 400 350 V max 300 280 300 490 260 250 200 Rampe de 35 240 220 150 200 100 50 Rampe de 17 Objectif assigné: 570km/h 0,+5 180 160 0 140 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 VAL-JOLY le 30/09/2009 37 La limite du couple caténaire pantographe Décembre 1989: LGVA, rame 325, pantographe GPU 482 km/h Vitesse critique : 509 km/h marge 27 km/h VAL-JOLY le 30/09/2009 38
le captage : «caténaire - panto : RAS» Pantographe Cx asservi à la vitesse en service sur PLT, Duplex et POS Un archet mono bande, carbone triplex 800Aeff sous 30kV, sur une génératrice de longueur : 60mm Vitesse critique : 615km/h marge 40km/h VAL-JOLY le 30/09/2009 39 Captage: soulèvement de la caténaire Soulèveme nt aux s upports du PMCA en fonction de la vitess e 100,00 90,00 80,00 70,00 PMCA support n 1 PMCA support n 2 PMCA support n 3 PMCA support n 4 Soulèvt maxi au passage du panto Vitesse critique Enregistrements au Pk 195 570km/h s o u lè v e m e n t e n c m 60,00 50,00 40,00 30,00 20 à 22mm 1 8 1 6 1 4 Soulèvement 18mm Soulè v em ent a ux s upports, ma rc he 0 93-02, vi te s se c orrigé e 5 72 km/ h A1 = 1 3 0 N, K = 0, A1 = 1 3 x 1 0-5 et B 1 = 0 1 2 20,00 1 0 10,00 0,00 300 350 400 450 500 550 600 650 700 vitesse en km/h Simulation : soulèvement en fonction de la vitesse S ou lèv em en t (c m) 8 6 4 2 0 2,5 3 3,5 4 4, 5 5-2 - 4-6 Tem p s ( s) VAL-JOLY le 30/09/2009 40
850 800 750 700 650 Icat Marche record du 3 avril 2007 Vitesse, Tension et Courant à la caténaire V150 marche record 3 avril 2007 paramètre IFTE Ucat 32 31,5 31 30,5 30 Vitesse km/h 600 550 500 450 400 350 300 30<Ucat<30,6kV Icat 800Aeff 29,5 29 28,5 28 27,5 27 26,5 250 26 200 25,5 150 25 100 24,5 180 190 200 210 220 230 240 250 pk VAL-JOLY le 30/09/2009 41 Marche record du 3 avril 2007 Vitesse, Puissance, Effort et Courant à la caténaire V150 le 3 avril 2007 - marche 93-02 900 800 I panto 25000 Puissance au panto 23000 700 21000 Vitesse km/h 600 500 400 300 200 Ppanto 24MW 19000 17000 15000 13000 11000 100 9000 0 7000 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 pk pk VAL-JOLY le 30/09/2009 42
Dernière re marche: le 15 avril 2007 Vitesse puissance, effort et courant caténaire 15 avril 2007 marche 105-04 Vitesse, Effort, I ligne et Puissance f(t) 900 800 Puissance KW 22000 19800 Vitesse km/h 700 600 500 400 300 Intensité au panto Aeff Vitesse km/h 17600 15400 542 km/h 13200 11000 8800 200 6600 100 Effort moteur kn 4400 0 2200-100 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Temps mn VAL-JOLY le 30/09/2009 43 0 Aérodynamique : disposition des capteurs 70 74 42 30 78 44 32 56 46 36 VAL-JOLY le 30/09/2009 44
Aérodynamique: résultats en ligne évolution des pressions sur le nez M2-30-Pext M2_32-Pext Vitesse M2_36-Pint M2_36-Pext Vitesse VAL-JOLY le 30/09/2009 45 Aérodynamique: le vent et l influence des talus Évolution de la pression sur la face latérale de la motrice Sens de la marche: Est vers Ouest Marche 088-4 ==> Vent de 3 à 5 m/s orientation 90/110 Est Marche 093-2 ==> Vent de 4 à 5 m/s orientation 15/30 Nord VAL-JOLY le 30/09/2009 46
Aérodynamique et caisse: Respiration du nez Vitesse < 400km/h! VAL-JOLY le 30/09/2009 47 Aérodynamique et caisse: L étanchéité de l avant du carénage a pour effet de supprimer les modes à partir de 65 Hz. FFT_Acc_44_V300 1,4 1,2 1 029-04 029-02 029-04 030-04 030-02 038-04 039-02 039-04 0,8 0,6 0,4 0,2 0 VAL-JOLY le 30/09/2009 48 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Aérodynamique et caisse: Comportement des bavettes VAL-JOLY le 30/09/2009 49 Aérodynamique et caisse: Les persiennes de la R4 Chocs dus au passage des ouvrages d art VAL-JOLY le 30/09/2009 50
Les cavités s sous caisse: écran inter caisses Solution japonaise Rame V150 Danger: remontée de ballaste, réduction des cavités VAL-JOLY le 30/09/2009 51 Comportement thermique des réducteurs TGV POS 88 C maxi Température ambiante = 13 C Température maxi atteinte lors de la campagne d essai = 96 C (Réd.C n 48) lors de la marche n 105-04 du 15/04/07 (543 km/h) a vec une ambiante de 30 C VAL-JOLY le 30/09/2009 52
Comportement thermique des roulements de boîtes d essieux d 36 C maxi Température ambiante = 13 C Température maxi atteinte lors de la campagne d essai = 49 C (essieu A gauche) lors de la marche n 105-04 du 15/04/07 (543 km/h) a vec une ambiante de 30 C VAL-JOLY le 30/09/2009 53 Marches à très s grande vitesse: bilan pour la SNCF et ses partenaires 728 km à V>500km/h (28 marches) 52,7 km à V>550km/h Voie ballastée/voie sur béton Captage Adhérence à très haute vitesse Garnitures et disques de frein Motorisation AGV Structure TGV Duplex Données expérimentales/simulations Données de maintenance d aujourd hui pour demain.. VAL-JOLY le 30/09/2009 54
Bilan et innovations: Structure capacitaire à 2 niveaux apte à la très grande vitesse Allègement des structures et des équipements La captage à grande vitesse La motorisation et ses composants : puissance 9 à 10MW: 320 km/h en commercial, vers 350 ou 360 Les semi conducteurs de puissance Les équipement électronique de contrôle commande Le moteur à aimants permanents Freinage par récupération d énergie: vers une efficacité énergétique accrue, rendement élevé 88% Globalement : une réduction du coût énergétique et du coût de maintenance à la place VAL-JOLY le 30/09/2009 55 Les records de vitesse et les technos TGV Sud Est: 26 février 1981, 380km/h. Rame articulée, 1 niveau; V commerciale 270 puis 300km/h Moteur à collecteur, redresseur à thyristors. TGV Atlantique: 18 mai 1990, 515,3km/h. Rame articulée, 1 niveau, V commerciale 300km/h; Moteur synchrone, redresseur et onduleur à thyristors. TGV POS AGV «V150»: 3 avril 2007, 574,8km/h. Rame articulée, 2 niveaux, V commerciale 320km/h; Moteur asynchrone et moteur à aimants permanents, redresseur et onduleur à IGBT VAL-JOLY le 30/09/2009 56
Histogramme comparatif : km parcourus entre les campagnes à très s grande vitesse du «515.3» (1990) et du «574.8» (2007) Campagnes d'essai à haute vitesse et projet V150 2500 2173 2000 1977 1873 Plus de 720km à V>500km/h Parcours cumulés (km) 1500 1000 1554 1447 1311 1032 721 500 0 408 288 202 120 62 18 6,2 1,7 400 410 420 440 450 460 480 500 510 520 530 540 550 560 570 574 Vitesse (km/h) Campagnes d'essai précédentes Projet V150 VAL-JOLY le 30/09/2009 57 Marche 88-04 du 29 mars 2007 Coup de cœur hommage «aux anciens» de 1955 Vmax 568,0 au pk 196,06 : 14ième marche à V>500. Distance parcourue à V>500 : 392km La puissance à la jante est voisine de: 20MW! La puissance captée au panto est de 24,3MW VAL-JOLY le 30/09/2009 58
VAL-JOLY le 30/09/2009 59 VAL-JOLY le 30/09/2009 60
Mise en service de la LGV EE le 10 juin 2007 VAL-JOLY le 30/09/2009 61 Merci de votre attention VAL-JOLY le 30/09/2009 62